水下信息物理系統(tǒng)探測–通信–控制一體化：挑戰(zhàn)與進(jìn)展

　　摘要: 水下信息物理系統(tǒng)是集計(jì)算、通信和控制于一體的水下智能系統(tǒng)，包括水下探測與采集、通信與組網(wǎng)、控制與決策等過程. 目前, 水下信息物理系統(tǒng)探測–通信–控制一體化理論體系尚處于構(gòu)建之中, 相關(guān)研究正面臨諸多亟待解決的難題. 為此，本文簡述了水下信息物理系統(tǒng)的內(nèi)涵與主要特征，分析了水下探測–通信–控制一體化研究面臨的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵問題;綜述了水下立體探測、通信組網(wǎng)、協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展;對水下信息物理系統(tǒng)探測–通信–控制一體化未來值得深入探究的研究方向進(jìn)行了總結(jié)與展望.

　　關(guān)鍵詞: 水下信息物理系統(tǒng); 探測; 通信組網(wǎng); 協(xié)同控制; 一體化設(shè)計(jì)

　　閆敬; 關(guān)新平; 羅小元; 楊晛， 控制理論與應(yīng)用 發(fā)表時(shí)間：2021-11-19

　　1 引言

　　21世紀(jì)是海洋的世紀(jì), 海洋將成為人類生存與發(fā)展的新空間. 為提升海洋探測能力, 可在特定水域部署具有計(jì)算、通信和控制能力的水下計(jì)算單元和物理對象，以構(gòu)建具有維度廣、安全性高以及實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)的水下信息物理系統(tǒng). 上述系統(tǒng)利用計(jì)算、通信和控制手段，可實(shí)現(xiàn)水下物理對象與信息網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同融合，對推動水下機(jī)器人、水下搜救與抓取、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)、水聲通信、水下預(yù)警與監(jiān)控等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的升級換代和跨越式發(fā)展意義重大.

　　2 水下信息物理系統(tǒng)

　　在水下信息物理系統(tǒng)中，聲吶傳感器與潛器(例如水下滑翔機(jī)以及自主水下機(jī)器人)等物理對象通過水聲無線通信方式構(gòu)成一個(gè)多跳自組織異構(gòu)探測網(wǎng)絡(luò). 與靜態(tài)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]相比，上述探測網(wǎng)絡(luò)引入了潛器，通過異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的通信組網(wǎng)與反饋協(xié)同，提升了探測網(wǎng)絡(luò)的靈活性與適變性;與動態(tài)多潛器網(wǎng)絡(luò)[2]相比，聲吶傳感器的引入增強(qiáng)了探測網(wǎng)絡(luò)時(shí)空覆蓋能力，提升了水下探測的快速性與持續(xù)性. 由此可見，水下信息物理系統(tǒng)集水下泛在探測、適變通信和協(xié)同控制等功能于一體，具有終端異構(gòu)化、結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化和功能靈活化等突出優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)智能化與互聯(lián)化的關(guān)鍵.

　　2.1 水下探測–通信–控制一體化設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)有的水下探測、通信與控制系統(tǒng)通常是相互獨(dú)立的. 具體來說，探測系統(tǒng)主要關(guān)注如何利用水聽器、多輸入多輸出探測聲吶來接收目標(biāo)輻射噪聲與信息，同時(shí)結(jié)合信號處理手段，以提取目標(biāo)特征、方位和距離等信息;通信系統(tǒng)主要關(guān)注如何針對水聲窄帶寬、多徑、頻率選擇性衰減以及高噪聲等信道特點(diǎn)，采取高性能、可實(shí)現(xiàn)的組網(wǎng)通信協(xié)議，以將信息從源點(diǎn)傳輸?shù)浇K端;控制系統(tǒng)主要關(guān)注如何根據(jù)已獲取的導(dǎo)航信息，設(shè)計(jì)比例-積分-微分、預(yù)測、滑模、自適應(yīng)以及多種智能控制器，以驅(qū)動潛器實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、縱傾、回轉(zhuǎn)、升降和橫移等運(yùn)動. 可以看出，探測與通信系統(tǒng)功能上具有重疊性，如果探測與通信系統(tǒng)互不關(guān)注對方收到的數(shù)據(jù)，那么探測與通信系統(tǒng)在頻譜資源、能耗上將互相競爭. 同時(shí)，控制系統(tǒng)通常假設(shè)探測與通信是完美實(shí)現(xiàn)的，即假設(shè)傳感器與潛器等節(jié)點(diǎn)的反饋信息是可靠獲取且實(shí)時(shí)傳輸?shù)?，然而水下?fù)雜環(huán)境使得上述假設(shè)很難保證. 綜上可知，探測、通信、控制的分離設(shè)計(jì)，一方面使控制指令易產(chǎn)生信息不完整約束，另一方面探測與通信又缺少有效的反饋機(jī)制，嚴(yán)重制約了水下信息物理系統(tǒng)整體性能的提升. 因此，為實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)探測–通信–控制一體化設(shè)計(jì)，有必要建立水下探測、通信、控制聯(lián)合設(shè)計(jì)架構(gòu).

　　2.2 探測–通信–控制一體化面臨的挑戰(zhàn)

　　2.2.1 水下環(huán)境開放性使得一體化架構(gòu)建立難

　　水下環(huán)境的開放性，使得很難建立固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施. 因此，為了滿足水下不同監(jiān)測需求，需要部署分布在不同物理空間的異構(gòu)終端[4]，包括主/被動聲納、前視和側(cè)掃聲納、聲學(xué)路徑垂直陣、測深儀、聲速剖面儀、岸基浮標(biāo)、水面監(jiān)控平臺等探測感知終端. 需要指出，水面監(jiān)控平臺可通過衛(wèi)星通信、短波、北斗等多種寬窄帶通信方式，以實(shí)現(xiàn)常規(guī)海況下的寬帶接入與惡劣海況下的窄帶接入;水面浮標(biāo)，可通過水聲通信方式與水下探測設(shè)備窄帶接入，也可通過寬帶接入的方式與水面監(jiān)控平臺通信;水下設(shè)備主要通過水聲組網(wǎng)通信方式與水面浮標(biāo)以及水下其它設(shè)備窄帶接入. 上述終端全向/定向通信并存、使用頻段種類多、服務(wù)優(yōu)先級不同，導(dǎo)致不同接入技術(shù)差異性大且不可兼容，使得建立具有自組織泛在能力的水下探測–通信–控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)非常困難. 此外，水下信息物理系統(tǒng)寬帶受限、通信時(shí)延大、能量有限等弱通信特性，以及水下潮汐洋流等不確定環(huán)境條件，又加劇了水下信息物理系統(tǒng)探測–通信–控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建立的難度.

　　2.2.2 聲吶資源受限下探測通信一體化實(shí)現(xiàn)難

　　探測通信一體化設(shè)計(jì)，不僅可以克服傳統(tǒng)分離設(shè)計(jì)帶來的資源互相競爭、效能低下的不足，而且可以通過共享射頻資源與天線孔徑，提升頻譜利用率、降低設(shè)備間電磁干擾、增強(qiáng)隱蔽性. 需要指出的是，探測通信一體化技術(shù)最早應(yīng)用于雷達(dá)[5]，其主要采用分時(shí)、分頻或者分波束的方式進(jìn)行功能集成，并 依 靠 電 磁 波 進(jìn) 行 探 測 通 信 ， 具 有 傳 播 速 率高(≈ 3 × 108 m/s)、 孔 徑 大 、 可 用 頻 帶 寬(3 MHzv 300 GHz)等特點(diǎn). 然而，電磁波在水中呈指數(shù)規(guī)律衰減，使得基于雷達(dá)的探測通信一體化技術(shù)并不能直接應(yīng)用于水下. 目前，聲吶仍然是水下遠(yuǎn)距離探測通信的唯一有效手段. 相比于雷達(dá)信號，聲吶信號傳播速率低(≈ 1500 m/s)、孔徑小、可用帶寬窄(3 Hzv 97 kHz)、多徑效用明顯[6] . 聲吶上述資源受限約束一方面導(dǎo)致水下通信信號易出現(xiàn)線性與非線性失真、相位抖動、頻率偏移，另一方面使得水下探測與通信帶外干擾嚴(yán)重且互相抑制、增加了共享信號設(shè)計(jì)難度. 如何克服聲吶資源受限約束，成為水下探測通信一體化設(shè)計(jì)面臨的一大挑戰(zhàn)。

　　2.2.3 水聲弱通信特性導(dǎo)致組網(wǎng)傳輸穩(wěn)健性弱

　　水下探測–通信–控制一體化設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)是構(gòu)建具有自組織、泛在、強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠性的異構(gòu)探測網(wǎng)絡(luò)，通過探測感知、信息共享與協(xié)同控制，最大限度把信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢，以實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)整體性能的提升. 上述過程離不開聲吶傳感器與潛器等物理對象的組網(wǎng)傳輸，然而水聲具有弱通信特性[7]，例如：(1) 電磁波在水中呈指數(shù)規(guī)律衰減，使得北斗等定位系統(tǒng)并不能直接應(yīng)用于水下，且受高噪聲以及多徑干擾等不穩(wěn)定因素影響，水下節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步難以精確實(shí)現(xiàn);(2) 水中不均勻分布的聲速剖面造成聲線彎曲;(3) 水聲通信主要通過發(fā)送器和水聽器實(shí)現(xiàn)信息收發(fā)，傳播時(shí)延大且消耗的能量遠(yuǎn)高于無線電波通信. 水聲上述弱通信特性，導(dǎo)致陸地環(huán)境下的組網(wǎng)傳輸協(xié)議并不適用于水下. 此外，水下節(jié)點(diǎn)所處的水體，在外力和自身環(huán)境參數(shù)變化等因素影響下會不斷地流動，形成快時(shí)變的水下流速場，增加了組網(wǎng)傳輸?shù)牟淮_定性與脆弱性，進(jìn)而對水下信息物理系統(tǒng)探測感知與控制指令的實(shí)時(shí)共享與可靠反饋提出了新的挑戰(zhàn).

　　2.2.4 復(fù)雜水下環(huán)境易使控制與反饋信息不完整

　　在水下信息物理系統(tǒng)探測–通信–控制一體化設(shè)計(jì)過程中，探測–通信系統(tǒng)為控制系統(tǒng)提供必要的信息支撐，而控制系統(tǒng)又可通過潛器等移動節(jié)點(diǎn)運(yùn)動促進(jìn)探測–通信性能的反饋提升. 具體來說，潛器等移動節(jié)點(diǎn)通過自身攜帶的水聲通信模塊動態(tài)協(xié)同鄰域內(nèi)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而通過航跡規(guī)劃、追蹤以及編隊(duì)控制形式實(shí)現(xiàn)水下探測與通信性能的反饋提升. 為此，如何在探測–通信–控制一體化框架下設(shè)計(jì)潛器反饋控制律顯得尤為重要. 目前，學(xué)者們提出了很多適合陸地環(huán)境的移動機(jī)器人反饋控制律[8]，其通常忽略機(jī)器人與物理環(huán)境間的耦合關(guān)系. 然而，受水聲弱通信、水流、復(fù)雜水底地貌、水中懸浮物等外部因素，以及潛器動力學(xué)模型強(qiáng)非線性、高耦合度等內(nèi)部因素影響，潛器與水下物理環(huán)境間的交互耦合異常緊密. 水下物理環(huán)境局部攝動、通信時(shí)延、鏈路失效、噪聲干擾等不確定性因素均會通過網(wǎng)絡(luò)直接或者間接地波及到潛器控制單元，甚至導(dǎo)致整個(gè)反饋控制律的失效. 因此，在設(shè)計(jì)潛器反饋控制律時(shí)，不僅要考慮潛器控制性能的優(yōu)化，而且還需要聯(lián)合考慮探測–通信性能的優(yōu)化. 然而，受限于目前探測、通信技術(shù)以及系統(tǒng)建模水平，許多關(guān)鍵的狀態(tài)在水下復(fù)雜環(huán)境中無法實(shí)時(shí)反饋，一些重要的參數(shù)難以準(zhǔn)確測量，導(dǎo)致水下控制與反饋信息不能完整匹配. 如何克服復(fù)雜水下環(huán)境中控制與反饋信息不完整限制，成為反饋提升探測與通信性能面臨的一大難題.

　　3 水下探測–通信–控制一體化研究進(jìn)展

　　水下探測–通信–控制一體化研究，主要內(nèi)容涉及水下立體探測、通信組網(wǎng)與協(xié)同控制，其相互依賴與制約的關(guān)系如圖2所示. 基于此關(guān)系，從如下三方面進(jìn)行綜述：1) 水下探測通信一體化;2) 弱通信條件下定位組網(wǎng);3) 復(fù)雜水下環(huán)境中潛器協(xié)同控制.

　　3.1 水下探測通信一體化

　　水下被動與主動探測是最常見的兩種探測方式，其中被動探測主要利用水聽器與聲吶陣列被動接收目標(biāo)的輻射噪聲[9]，例如潛艇與水體摩擦產(chǎn)生的水流噪聲以及潛器自身機(jī)械噪聲等，進(jìn)而結(jié)合波束形成、方位估計(jì)等信號處理方式提取目標(biāo)特征、方位、深度以及距離等信息. 與此不同，主動探測技術(shù)通過發(fā)射聲波以及接收目標(biāo)反射回波方式進(jìn)行探測，其發(fā)展形成了以低頻大功率探測[10]、雙/多基地探測[11]、前向散射探測[12]和多輸入多輸出(multiple input multiple output，MIMO)[13–14]為主要分支的技術(shù)脈絡(luò). 盡管如此，現(xiàn)有的水下被動或主動探測系統(tǒng)多假設(shè)其與水下通信系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，并沒有考慮兩者間功能上的重疊性與資源上的競爭性.

　　3.2 弱通信條件下定位組網(wǎng)

　　定位組網(wǎng)是水下探測–通信–控制一體化設(shè)計(jì)的中間環(huán)節(jié)，其目的是確定水下目標(biāo)以及節(jié)點(diǎn)(例如傳感器與潛器)的位置信息，進(jìn)而通過水聲通信協(xié)議設(shè)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健組網(wǎng)，上述過程對確保水下探測信息的可靠傳輸與控制信息的有效反饋至關(guān)重要.

　　現(xiàn)有定位技術(shù)大致可分為兩類：距離相關(guān)技術(shù);距離無關(guān)技術(shù). 前者主要利用主/被動聲吶、前視/側(cè)掃聲吶、測深儀等探測設(shè)備進(jìn)行定位，其定位精度高、受制因素少，是目前普遍采用的定位技術(shù). 一些學(xué)者已經(jīng)對距離相關(guān)定位技術(shù)進(jìn)行了研究，并從不同角度出發(fā)開發(fā)了協(xié)同定位算法. 這些算法大多利用信號到達(dá)時(shí)間差(TDOA) 、信號到達(dá)時(shí)間(TOA)、信號飛行時(shí)間(TOF)、以及信號到達(dá)角度(AOA)進(jìn)行距離測量. 例如，Liu等人[23]基于TDOA設(shè)計(jì)了多潛器協(xié)作的定位算法，實(shí)現(xiàn)了移動潛器群的精確定位. Zhou等人[24] 為減小網(wǎng)絡(luò)通信能耗，考慮水下潛器與傳感器位置的時(shí)空相關(guān)性，提出了基于移動預(yù)測與TOA的協(xié)同定位算法. Luo等人[25]對傳感器節(jié)點(diǎn)的被動移動進(jìn)行分析，提出了混合網(wǎng)絡(luò)下協(xié)同定位算法. 上述定位算法假設(shè)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘是同步且聲線是直線傳播的，但是受水聲弱通信特性影響，節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘很難達(dá)到精確同步且聲線是彎曲傳輸?shù)? 具體來說，水下異步時(shí)鐘與聲線彎曲模型可表示為[26–27]其 中 ，T表 示 節(jié) 點(diǎn) 本 地 時(shí) 鐘 ;t表 示 真 實(shí) 時(shí)鐘;α與β分別表示節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘漂移與偏移;C(z)表示深度為z時(shí)節(jié)點(diǎn)的水聲傳輸速度;a¯表示與水下環(huán)境相關(guān)的聲速剖面陡度;b表示水面聲速.

　　3.3 復(fù)雜水下環(huán)境中潛器協(xié)同控制

　　受水流干擾等因素影響，水下傳感器對目標(biāo)探測誤差會不斷累積. 因此，有必要面向探測與傳輸需要，增加部署少量可以自主移動的潛器，一方面作為移動錨節(jié)點(diǎn)向傳感器提供自定位參考，并根據(jù)探測的需要對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)、拓?fù)湫迯?fù)與組網(wǎng)協(xié)同，另一方面根據(jù)傳感器已探測到的目標(biāo)信息，通過自身攜帶的水聲通信模塊動態(tài)協(xié)同鄰域內(nèi)的潛器，并組成特定的編隊(duì)圍捕隊(duì)形，以完成對水下移動目標(biāo)的近距離、高精度、全方位自主探測. 為完成上述任務(wù)，潛器需根據(jù)探測信息進(jìn)行航跡調(diào)度，進(jìn)而根據(jù)已規(guī)劃航跡進(jìn)行多潛器協(xié)同控制.

　　4 水下探測–通信–控制應(yīng)用

　　為最終實(shí)現(xiàn)水下立體探測、通信組網(wǎng)與協(xié)同控制，有必要搭建水下探測–通信–控制一體化平臺. 圖8是一個(gè)典型的水下信息物理系統(tǒng)探測–通信–控制一體化平臺. 目前，水下探測–通信–控制平臺搭建相關(guān)研究正處于起步階段，但是國內(nèi)外已經(jīng)開展的相關(guān)工作對未來一體化平臺搭建意義重大.

　　受美國海軍“水聲監(jiān)視系統(tǒng)”(SOSUS)啟發(fā)，科學(xué)家在上世紀(jì)60年代就提出“建立水下探測網(wǎng)絡(luò)” 的設(shè)想. 進(jìn)入21世紀(jì)，尤其是“911事件”后，美國、日本等國家加快了建設(shè)水下探測網(wǎng)絡(luò)的步伐. 2005年，美國國防部斥資開展“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)”(PLUSNET)，使得基于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的探測系統(tǒng)在水下環(huán)境中應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)[92]. 2016年，美國國家基金委宣布，歷時(shí)10年、耗資3.86億美元的“大型海洋觀測計(jì)劃”(OOI)正式啟動運(yùn)行[93] . 同年，美國國防高級研究計(jì)劃局投資研發(fā)的分布式敏捷反潛系統(tǒng)完成了海試，其利用數(shù)十個(gè)無人潛航器組網(wǎng)，首創(chuàng)自下而上探測模式，提升了探測精度，實(shí)驗(yàn)表明40個(gè)潛器組成的網(wǎng)絡(luò)可以探測近18萬平方千米的海域. 2020年11月，麻省理工學(xué)院開發(fā)了一種水下反向散射定位系統(tǒng)[94]，其通過反射調(diào)制的音頻信號生成二進(jìn)制脈沖，進(jìn)而計(jì)算往返時(shí)間以確定位置，實(shí)驗(yàn)表明其淺水區(qū)估計(jì)距離精度約50cm. 此外，日本2002年 構(gòu) 建 了 “ 新 型 實(shí) 時(shí) 海 底 探 測網(wǎng)”(ARENA)，并于2017年宣布將聯(lián)合美國、韓國以及我國臺灣籌建“太平洋海底觀測網(wǎng)”. 歐盟在海洋科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目MAST-III的支持下，也相繼開展了一系列水下信息物理系統(tǒng)探測研究. 例如，法國推出了Alister輕型水下潛器，長度為1.7-2.5m、重量為50-90公斤，可有效探測及識別水雷，搭載有合成孔徑雷達(dá)，比普通聲吶探測效果高5-10倍. 上述重大項(xiàng)目的開展與相關(guān)計(jì)劃的制定，推動了水下信息物理系統(tǒng)探測–通信–控制應(yīng)用的落地，成為各國/地區(qū)技術(shù)競爭的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)布局的焦點(diǎn)!

　　5 思考與展望

　　“向海則興，背海則衰”，大力發(fā)展海洋事業(yè)已成為全世界的廣泛共識. 隨著海洋裝備制造、傳感器、信息處理和人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，水下信息物理系統(tǒng)正朝著無人化、集成化與智能化的方向快速發(fā)展. 可以預(yù)見，通過探測、通信與控制的一體化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)水下各種資源的共享與協(xié)同優(yōu)化將成為水下信息物理系統(tǒng)的一個(gè)重要研究方向，也將成為未來水下綜合電子信息系統(tǒng)發(fā)展的趨勢.

　　本文最后列出水下信息物理系統(tǒng)探測–通信–控制一體化設(shè)計(jì)過程中，一些重要但尚需解決的問題以及未來值得深入探究的研究方向.

　　1) 在探測層面，各類探測感知設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)，只用某個(gè)單一設(shè)備并不能長時(shí)間、高可靠地確保水下探測任務(wù)的實(shí)現(xiàn)[97] . 因此，要實(shí)現(xiàn)對移動目標(biāo)全天候、全方位的實(shí)時(shí)探測，需要部署多平臺，獲得多維度、多層次、互補(bǔ)型的動態(tài)多源數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行高效融合處理，協(xié)同完成探測任務(wù). 然而，水下環(huán)境的快時(shí)變和移動目標(biāo)的高機(jī)動，使得多平臺與移動目標(biāo)的信息具有多尺度(時(shí)間、空間等)、多粒度、高動態(tài)、高沖突等特點(diǎn). 同時(shí)，水聲信道的窄帶寬、強(qiáng)多徑干擾使得3-5公里距離的典型數(shù)據(jù)傳輸率只有6-7kb/s，致使信息傳輸易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或污染，且聲波傳播的慢速率造成的傳輸秒級長時(shí)延及時(shí)延抖動，引發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)空失配和錯序. 陸地環(huán)境下，苑晶等人[98]基于雷達(dá)與視覺進(jìn)行多源信息融合以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人目標(biāo)探索跟蹤. 考慮水下復(fù)雜環(huán)境與目標(biāo)機(jī)動性等約束，如何對動態(tài)多源探測信息進(jìn)行高效融合以組建水下信息物理系統(tǒng)探測–通信–控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)尚未得到充分解決.

　　2) 在通信層面，水下靜態(tài)與動態(tài)節(jié)點(diǎn)通過聲通信確定自身以及目標(biāo)位置信息，進(jìn)而利用水聲通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健組網(wǎng). 現(xiàn)有的水下定位組網(wǎng)方式存在如下三個(gè)問題：a) 通信協(xié)議主要關(guān)注如何將信息從源點(diǎn)傳輸?shù)浇K端，而不關(guān)注探測與控制性能，使得通信性能的提升有可能以犧牲探測與控制性能為代價(jià);b)傳輸過程中的信息安全大多忽視，但是水下節(jié)點(diǎn)的隱私保護(hù)與攻擊防護(hù)不容忽視[99];c) 信息處理優(yōu)化求解大多利用傳統(tǒng)最小二乘或者凸優(yōu)化求解，導(dǎo)致陷入局部最優(yōu)或者求解困難. 針對上述問題，文獻(xiàn) [100]提出基于差分計(jì)算的隱私防護(hù)模型，進(jìn)而考慮水聲弱通信與流速場影響，設(shè)計(jì)了水下傳感器與目標(biāo)安全定位算法;文獻(xiàn) [101]指出針對復(fù)雜優(yōu)化問題，可以基于感知得到的動態(tài)環(huán)境信息，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法以解決復(fù)雜優(yōu)化問題，以使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)高復(fù)雜、高動態(tài)、強(qiáng)對抗環(huán)境開展作業(yè)任務(wù). 目前已有研究只是做了初步的探索，但如何在探測–通信–控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有效安全通信與協(xié)同定位尚需進(jìn)一步研究.

　　3) 在控制層面，控制對象與其性能要求隨探測-傳輸?shù)淖兓兓瑢撈鞣答伩刂铺岢鲂碌奶魬?zhàn). 目前，潛器反饋控制通常假設(shè)探測與通信是完美實(shí)現(xiàn)的，即主要關(guān)注如何根據(jù)已獲取的導(dǎo)航信息實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，然而水下復(fù)雜環(huán)境使得上述假設(shè)很難保證. 可以預(yù)見，未來潛器協(xié)同控制，不僅需要具有一定的自主控制能力，而且還需要根據(jù)任務(wù)的需要具有信息獲取、任務(wù)規(guī)劃、無線通信、水質(zhì)適應(yīng)、長續(xù)航等能力，這離不開探測、通信、導(dǎo)航、信號處理、人工智能技術(shù)的支持. 需要注意的是，利用潛器探測海洋生態(tài)環(huán)境(探測方向)、潛器的自供電技術(shù)(能源方向)、潛器的自適應(yīng)控制(控制方向)、基于蟻群算法的潛器路徑規(guī)劃(控制方向)、基于潛器的水下物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建(網(wǎng)絡(luò)方向)、潛器編隊(duì)控制(協(xié)同方向)、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的潛器跟蹤控制(控制方向)、潛器仿生設(shè)計(jì)(總體方向)、以潛器為移動邊緣的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(通信方向)、多潛器協(xié)同任務(wù)(協(xié)同方向)、移動式水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步(導(dǎo)航方向)、利用過氧化氫或直接推進(jìn)的動力系統(tǒng)(能源方向)、潛器水下無線充電(能源方向)、水陸兩棲無人系統(tǒng)(總體方向)、基于滑?？刂频臐撈鞲櫩刂?控制方向)、改進(jìn)潛器的單信標(biāo)導(dǎo)航精度(導(dǎo)航方向)、聲吶圖像中的目標(biāo)識別(探測方向)、潛器視覺定位(導(dǎo)航方向)、優(yōu)化潛器的環(huán)境采樣任務(wù)(探測方向)、潛器的深海探測任務(wù)(探測方向)已經(jīng)被列入潛器的20項(xiàng)前沿技術(shù)趨勢. 因此，如何將一體化系統(tǒng)的反饋需求與面向控制的探測–通信相結(jié)合，進(jìn)而對潛器進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化將是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的研究方向. 目前部分研究已經(jīng)開始朝著這個(gè)方向開展，但是尚需結(jié)合水下物理系統(tǒng)的特征(例如水聲信道、噪弱通信性、噪聲特性與潛器物理受限等)進(jìn)一步深入研究.

　　4) 在應(yīng)用層面，水下探測–通信–控制一體化平臺搭建相關(guān)研究正處于起步階段，研究結(jié)果主要通過仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證. 目前已有的海上實(shí)驗(yàn)還停留在節(jié)點(diǎn)通信、組網(wǎng)和控制分離驗(yàn)證的階段. 因此，如何將探測–通信–控制一體化理論成果進(jìn)行海上驗(yàn)證，并根據(jù)海試結(jié)果進(jìn)一步指導(dǎo)理論結(jié)果是未來需要重點(diǎn)研究的另外一個(gè)方向. 此外，水下信息物理系統(tǒng)發(fā)展關(guān)鍵是面向應(yīng)用場景，從技術(shù)發(fā)展到解決實(shí)際應(yīng)用場景需求還有很多新的問題需要解決和突破. 以海洋牧場中海珍品自主抓取為例，如何在弱光照與動態(tài)海流下實(shí)現(xiàn)“看得見”與“抓的著”是其面臨的兩個(gè)主要技術(shù)問題，這涉及多方面的技術(shù)突破，包括弱光照下水下圖像自主識別技術(shù)、動態(tài)水流下目標(biāo)定位技術(shù)、潛器航行與抓取聯(lián)動裝置設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)械手自主抓取與回收技術(shù)等. 需要強(qiáng)調(diào)的是，澳大利亞Blueprint實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的REACH ALPHA 5 機(jī)械臂是目前世界上最小最輕的水下五功能機(jī)械手，具有質(zhì)量輕、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格昂貴，不利于規(guī)模化推廣. 因此，一方面需要根據(jù)應(yīng)用場景的不同實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科背景、多技術(shù)領(lǐng)域的科研人員協(xié)作，另一方面需要推進(jìn)海洋試驗(yàn)平臺共用以及數(shù)據(jù)共享，以期促進(jìn)水下信息物理系統(tǒng)信息化與智能化.